Die Gebr. Becker GmbH ist den SCOPE-Lesern als international führender Hersteller auf dem Gebiet der Vakuum- und Drucklufttechnologie bekannt. Als Komponenten- und Systemlieferant des Maschinen- und Anlagenbaus hat sich das Unternehmen weltweit und in zahlreichen Anwendungsmärkten einen Namen gemacht. Zum Sortiment gehören neben Vakuumpumpen und Luftversorgungssystemen auch Verdichter – zum Beispiel die Baureihe Magnatec, die sich durch den Einsatz von Magnetlagern auszeichnet. „Mit dieser wartungsfreien Technologie erübrigt sich ein Lagertausch“, erläutert Frank Diedrichsen, Entwicklungsingenieur bei der Gebr. Becker GmbH. „Im Vergleich zu einem Verdichter mit Kugellagern sinken die Energie- und Instandhaltungskosten für das System deutlich.“ Mit Drehzahlen bis 70.000 min^-1 können Magnatec-Radialverdichter überall dort zum Einsatz kommen, wo große Volumenströme inerter Gase unter besonders hohen Anforderungen an die technische Sauberkeit umgewälzt werden müssen. Unter anderem bewähren sie sich in schnellgeströmten CO₂-Lasern für Laserleistungen von 3 kW bis 6 kW.

Der Verdichter verfügt über einen Frequenzum-richter von Sieb & Meyer, dessen Aufgabe die Energieversorgung des Synchronmotors ist.

Bei der Entwicklung des aktuellen Modells Magnatec 2 suchte Becker nach einem neuen Partner im Bereich der Frequenzumrichter. „Eine Standard-Lösung kam hier nicht in Frage, weil wir konkrete Sonderwünsche hatten“, so Frank Diedrichsen. „Sieb & Meyer überzeugte uns mit einer ausgefeilten technischen Lösung zu einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis.“ Hauptaufgabe des Frequenzumrichters ist die Energieversorgung des Synchronmotors. Darüber hinaus ist der Umrichter der Master für das Steuergerät (Controller) der Magnetlager und versorgt dieses über einen DC/DC-Wandler mit der benötigten Energie. Der Frequenzumrichter übernimmt somit eine zentrale Funktion im Gesamtsystem Verdichter-Steuereinheit-Umrichter.

Spannungssignale im Dauerbetrieb

„Eine Besonderheit ist der Betrieb des Motors bei einem niedrigen Absolutdruck von ca. 150 hPa“, erklärt Frank Diedrichsen. „Daraus ergeben sich besondere Anforderungen an das Spannungssignal des Frequenzumrichters, hohe Spannungsspitzen müssen in jedem Fall vermieden werden.“ Der Umrichter sollte es ermöglichen, die geforderten Spannungssignale ohne externe Filter oder Drosseln zu erzeugen – und zwar im Dauerbetrieb, schließlich laufen CO₂-Laser oft tagelang ohne Unterbrechung. Auf der Liste der Anforderungen standen zudem eine möglichst kompakte Bauform und eine Wasserkühlung. Der Hintergrund: Der Bauraum in einem CO₂-Laser ist begrenzt und eine Luftkühlung ist in diesem Anwendungsfall von vornherein ausgeschlossen. Dabei würden elektrisch leitende Metallstäube, die beim Laserschneiden entstehen, in den Umrichter gesaugt werden und mittelfristig zu Ausfällen führen. Deshalb ist die Wasserkühlung für elektronische Komponenten in Hochleistungslasern erste Wahl. „Neben einem funktionierenden Kühlsystem ist es bei dieser Applikation sehr wichtig, eine geringe Rotorerwärmung sicherzustellen, weil der Rotor durch die Magnetlagerung keine Verlustwärme über die Lager abführen kann“, erläutert Torsten Blankenburg, Vorstand Technik bei Sieb & Meyer. „Damit von vornherein möglichst wenig Wärme entsteht, haben wir die umrichterseitigen Verluste auf ein Minimum reduziert.“

Auf Basis des Standard-Geräts SD2S-FPAM realisierte Sieb & Meyer einen kundenspezifischen Frequenzumrichter, der Drehfeldfrequenzen bis 2334 Hz mit möglichst geringen harmonischen Frequenzanteilen bereitstellt. Zusätzlich gewährleistet die Lösung eine gesicherte Versorgungsspannung des Magnetlagers beim Ausfall der Netzspannung: Im Falle eines Stromausfalls wird kontrolliert ein Bremsvorgang eingeleitet. Dabei dient der Motor des Radialverdichters als Generator und speist elektrische Energie zurück in den Frequenzumrichter. Diese Energie wird dann zum Betrieb der Steuereinheit verwendet. Dadurch wird das elektrisch betriebene Magnetlager fast bis zum Stillstand funktionsfähig gehalten.

Konstruktiv wurden bei der Entwicklung neben den applikationsseitigen Besonderheiten in Bezug auf Kühlung und Bauform auch spezielle Schnittstellen realisiert, sodass sich der Umrichter optimal in das Gesamtsystem des Endkunden integrieren lässt. Konkret handelt es sich dabei um digitale sowie analoge Schnittstellen sowie eine CAN-Bus-Ansteuerung – sie ermöglichen eine optimale Kommunikation mit den Steuerungen der Maschinen, in denen die Radialverdichter verbaut werden. ee